Teori perpindahan panas

Teori dasar perpindahan panas

Secara alami, panas atau kalor dengan sendirinya berpindah dari benda yang bertemperatur tinggi menuju benda yang bertemperatur rendah. Proses terjadinya perpindahan panas adalah suatu fenomena alam (Hukum alam) dimana adanya suatu zat dengan temperatur yang lebih tinggi akan senantiasa menyamakan (Menyeimbangkan) temperatur benda yang saling bersentuhan. Pada abad ke-18, para fisikawan menduga bahwa aliran panas atau kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida adalah zat yang dapat mengalir. Fluida meliputi zat cair dan zat gas. Air (zat cair) termasuk fluida karena dapat mengalir. Udara juga termasuk fluida karena dapat mengalir). Fluida tersebut dinamakan caloric. Teori mengenai caloric tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan caloric ini tidak bisa dibuktikan. Pada abad ke-19, seorang fisikawan Inggris bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara memanaskan air dalam sebuah wadah menggunakan roda pengaduk dan membandingkan memanasnya air akibat putaran roda pengaduk dengan memanasnya air dalam wadah yang disentuhkan dengan nyala api atau sumber listrik. Berdasarkan percobaannya, Joule menyimpulkan bahwa panas atau kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu, seperti energi kinetik, energi potensial, energi kimia dll). Panas atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Jadi ketika panas atau kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau keseimbangan termal. Secara umum, proses perpindahan panas dapat diklasifikasikan dalam 3 cara yaitu, secara konduksi, konveksi dan radiasi [6].

Gambar : Ilustrasi proses perpindahan panas

Jika Temperatur itu adalah derajat panas-dinginnya suatu benda atau lebih tepatnya jumlah “energi kinetic” rata-rata dari suatu zat maka yang namanya “Panas” adalah energi yang berpindah dari suatu zat yang temperaturnya lebih tinggi menuju bagian bidang zat atau menuju zat lain yang suhunya lebih rendah. Misalkan saat kita mencampurkan air panas dengan air dingin, maka yang terjadi air tersebut jadi hangat. Kenapa demikian? Hal tersebut dikarenakan air panas memiliki temperatur lebih tinggi sehingga melepaskan panas dan diterima oleh air yang dingin sehingga suhu campuran kedua zat tersebut adalah "hangat". Atau bayangkan contoh lain. Saat kita memegang gelas berisi teh panas, maka tangan kita akan terasa panas dikarenakan energi berpindah dari teh panas menuju gelas dan berakhir di tangan kita. Pertanyaannya adalah berapa besar nilai panas yang kita rasakan ditelapak tangan kita …? Untuk menghitung besarnya diberlakukan rumus perpindahan panas sebagai berikut [1]:

Dimana:

       Q  = Panas (kalori) atau (Joule)

       M = Massa (gram) atau (kg)

       c  = Kalor jenis (kal/gr c) atau (J/kg K)

    ∆T   = Perbedaan suhu dimana ΔT = T_Panas – T_dingin, satuan (celcius, ^oC) atau (kelvin, K) 

Proses Perpindahan Panas Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi pada suatu medium padat. Dalam proses perpidahan panas secara konduksi yang berpindah hanyalah panas sementara mediumnya tidak ikut berpindah. Contohnya ketika kita memanaskan sebatang besi maka pada bagian ujung yang tidak dipanaskan dalam jarak (x) tertentu dari sumber panas (T_Hot),  seiring waktu (s) area yang bertemperatur lebih rendah (T_Cold) akan menjadi lebih panas, hal ini menggambarkan bahwa panas yang berasal dari perapian dengan temperatur lebih panas (T_Hot) berpindah (q) dari ujung besi yang dipanaskan ke ujung lain yang tidak dipanaskan (T_Cold). Itulah contoh sederhana proses berlangsungnya perpindahan panas.

Nilai perpindahan panas ini dinamakan laju perpindahan panas dan dirumuskan sebagai panas yang mengalir persatuan waktu. Laju perpidahan panas secara koduksi dirumuskan sebagai perkalian antara konduktivitas panas (Thermal Conductivity, k) dengan luas penampang (A) dan selisih suhu kedua titik (T_Hot-T_Cold) dibagi dengan jarak kedua titik (x). 

Mekanisme perpindahan panas konduksi

Ketika salah satu bagian benda dengan temperature yang lebih tinggi bersentuhan dengan benda dengan temperature yang rendah, maka energi akan berpindah dari benda bertemperatur tinggi (T_Hot) menuju bagian benda yang bertemperatur rendah (T_Cold). Adanya tambahan energi menyebabkan atom dan molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Ketika bergerak, maka molekul tersebut akan memiliki energi kinetik (EK = ½ mv2). Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk molekul yang berada di sebelahnya. Molekul tadi menumbuk lagi molekul lain yang berada di sebelah. Demikian seterusnya. Jadi molekul-molekul saling bertumbukan, sambil memindahkan energi. Perpindahan panas yang terjadi melalui tumbukan antara molekul pernyusun benda inilah yang dinamakan perpindahan panas secara konduksi.

Dari ilustrasi yang digambarkan diatas, sebatang pipa pejal pada salah satu bagian ujungnya dipanaskan oleh sebatang lilin yang menyala dinyatakan memiliki temperatur yang lebih tinggi (T_Hot) sedangkan ujung benda yang terletak di sebelah kanan memiliki temperature yang lebih rendah (T_Cold). Karena adanya perbedaan suhu (T_Hot – T_Cold), maka panas berpindah dari bagian benda yang bertemperatur tinggi menuju benda yang bertemperatur rendah (arah aliran panas ke kanan). Jika benda yang dilewati panas memiliki luas penampang (A) dan panjang (x).

Dari ilustrasi diatas maka dapat dikalkulasi Jumlah panas yang berpindah dalam selang waktu tertentu (Q/s) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T_Hot – T_Cold), luas penampang (A), sifat konduktivita termal dari suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda (x). Rumus laju perpindahan panas (q) secara konduksi dapat dirumuskan sebagai berikut :

Dalam bentuk differensial :

lim Δx →0

Dimana :

Q	= laju perpindahan kalor W
k	= konduktivitas termal (J/m.s.oC) atau (W/moC)
A	= luas penampang (m2)
THot	= Temperatur ter-tinggi (oC)
TCold	= Temperatur  ter-rendah (oC)
q	= Heat Flux (W/m2)
x	= Jarak antara temperatur panas dan temperatur rendah (m)

Agar lebih mudah dalam memahami proses terjadinya perpindahan panas maka disini saya akan memberikan contoh ilustrasi dari terjadinya proses perpindahan panas berupa contoh kasus/soal.

Contoh soal :

Perhatikan gambar berikut :

     
Perlu diperhatikan bahwa, untuk kalori berpasangan dengan celcius dan gram, sedangkan untuk joule berpasangan dengan kg dan kelvin.

• 1 kalori = 4,2 Joule dan 1 joule= 0,24 kalori. Untuk merubah suhu dalam celcius ke kelvin menggunakan persamaan K = Celcius + 273 (Kelvin adalah satuan internasional dari suhu).
• Kalor jenis setiap benda berbeda-beda, yang sangat sering dipergunakan dalam soal dan dijadikan patokan adalah air. kalor jenis air bernilai 1 kal/gr.c atau 4180 J/Kg K sering dibulatkan menjadi 4200 J/kg K. selain tiu ada juga es yang memiliki kalor jenis setengah dari air yakni 0,5 kal/gr.c atau 2100 J/kgK.

Kalor jenis (c)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat  sebesar 1^oC atau 1 K, dimana persamaannya dapat ditulis sebagai berikut:

Kapasitas kalor (C)
Kapasitas kalor adalah kemampuan suatu zat menyerap kalor untuk menaikkan suhunya menjadi 1^oC lebih tinggi, nilai persamaanny dapat ditulis sebagai berikut:

atau

C = kapasitas kalor (J/^oC)

Contoh soal :

Berapakah kalor yang diperlukan untuk mendidihkan 1 kg air jika suhu awalnya 25^oC sampai 100^oC dan kalor jenis air 4.2 x 103 J/kg^oC…. ?

Diketahui :

Perubahan Wujud Zat dan Grafik Perubahannya

Seperti yang kita kethaui zat terbagi menjadi 3 (tiga) yakni padat, cair dan gas. Adapun diagram perubahannya sebagai berikut:

Gambar : Diagram perubahan suatu zat [1, 3]

Gambar : Perubahan wujud zat yang melepaskan kalor

 

Gambar : Perubahan wujud zat yang memerlukan kalor

Berdasarkan grafik diatas terdapat proses perubahan wujud zat yang disebut membeku dan melebur. Untuk membeku dan melebur terdapat kalor yang dibutuhkan yang disebut kalor laten lebur atau beku sebesar:

Begitupula dengan proses perubahan wujud zat berupa menguap dan mengembun, membutuhkan kalor untuk menguap sebesar:

Keterangan:

L = kalor laten lebur ( 80 kal/gr)

U = kalor laten uap

Grafik Perubahan Wujud Zat

Misalkan sebongkah es dengan suhu -10 derajat celcuis dipanaskan hingga berubah menjadi gas, akan melalui tahapan-tahapan sesuai dengan grafik berikut:

Gambar : Perubahan wujud zat cair (Air) [1-3]

Masing-masing dari setiap proses perubahan suhu maka akan memiliki kalor yang berbeda, seperti terlihat pada gambar. untuk menghitung total hanya perlu menjumlahkan kalor setiap proses. Hukum Termodinamika Pertama berbunyi "energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain." Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Pada dasarnya terdapat tiga macam proses perpindahan energi panas. Proses tersebut adalah perpindahan energi secara konduksi, konveksi, dan radiasi [1]. Perpindahan energi secara konduksi dan konveksi terjadi pada material padat dan cair. Sedangkan proses perpindahan energi panas secara radiasi terjadi pada ruang hampa.

Download Pdf slide atau bisa juga di download disini.

Referensi :

1. F. P. Incropera, D. P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition, John Wiley & Sons, 2007.
2. J.P.Holman, Heat Transfer, 10th Edition, Mc Graw Hill Co Singapore, 1992, ISBN 0-07-112644-0 .
3. Frank Kreith, Mark S Bohn, Principles of Heat Transfer,  4th Edition, Harper Collins Publishers, New York, 1986, ISBN 0-06-043785-5
4. Yunus A Cengel, Heat and Mass Transfer (SI Units),  A Practical Approach, 3rd Edition, 2006
5. Saryanto, H. "Perpindahan Panas" Modul Bahan Ajar : Teknik Mesin-Universitas Mercu Buana, Jakarta, 2012.